基于CPT的電動汽車無線充電技術(shù)研究

謝寶江，陳桑紅，陳軼瑋，許 叢，張軍達

（1.臺州宏創(chuàng)電力集團有限公司，浙江 臺州 318000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

隨著電能生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生產(chǎn)和生活方式也發(fā)生了極大的變化。自從人類學會用電開始，電線就一直伴隨人們左右，在帶來用電方便的同時，空間和地面上布滿的電線也給人們帶來了許多煩擾。能否在一些不宜拖帶電線的場合不用電線，同時使用電設(shè)備照常工作，成為人們追求的目標，無線電能傳輸技術(shù)正是在這一背景下應(yīng)運而生。WPT（無線電能傳輸）技術(shù)也稱為CLPT（非接觸電能傳輸）技術(shù)，是一種借助電場、磁場和微波等實現(xiàn)將電能由發(fā)射端傳遞至接收端的供電模式，該技術(shù)融合了電磁場、電力電子及自動控制等多種學科,是能源傳輸和接入的一次革命性進步[1]。

電力是一種清潔能源，相對于石油，其價格低廉。使用電動汽車不僅可以避免尾氣排放對大氣環(huán)境造成污染，還可節(jié)省高額的燃油費。近年來，隨著電動汽車的大量普及，汽車無線充電也受到越來越多的關(guān)注。電動汽車的無線充電可以解決火花、積塵、接觸損耗、機械磨損等一系列傳統(tǒng)充電方式帶來的問題，增強電動汽車的續(xù)航能力[2]。無線充電簡單方便，即停即充，無需手動操作，沒有線纜拖拽，用戶只需把車停在停車位或車庫中，就可安全充電；安裝成本低，安裝方便，只需在車庫地下安裝初級側(cè)線圈，在汽車底盤安裝次級側(cè)線圈即可；無線充電不受氣候條件的影響，在雨雪天氣都可以安全充電。因此電動汽車無線充電將成為未來主要的發(fā)展方向。

1 無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

早在1893年的哥倫比亞世博會上，交流電和無線電的發(fā)明人、著名美籍物理學家Nikola Tesla利用無線電能傳輸原理，在不用導線的情況下點亮了一盞照明電燈[3]。2000年，美國噴氣推進實驗室提出利用太陽能衛(wèi)星進行無線電能傳輸，但同時其高功率密度也將給人類及其生存環(huán)境帶來潛在的危害[4]。2007年MIT（麻省理工學院）以Marin Soljacic教授為首的研究小組在《Science》上發(fā)表論文，介紹了一種全新的無線供電模式：磁共振感應(yīng)耦合技術(shù)。實驗中纏繞了一個5匝粗銅線的線圈作為發(fā)射線圈，在2 m的距離處點亮了一盞60 W的電燈，無線電能傳輸效率約為40%，在一次側(cè)電源和二次側(cè)電源中間放置木料、金屬或其他電器，燈泡仍會發(fā)亮[5]。2008年，Intel公司的J.R.Smith展示了基于磁共振技術(shù)的研究成果，在演示過程中，該系統(tǒng)以75%的效率實現(xiàn)了60 W傳輸功率[6]。據(jù)美國媒體2017年5月報道，以色列Elect Road公司將開始公路無線充電技術(shù)測試，這標志著新能源汽車在行使過程中充電的目標有望達成[7]。2015年，新西蘭奧克蘭大學與德國康穩(wěn)公司合作研制出世界上第一臺無線充電大巴，功率為30 kW[7]。

2011年10月國內(nèi)首次“無線電能傳輸技術(shù)”專題研討會在天津召開，并達成了“天津共識”，這對無線電能技術(shù)在國內(nèi)的研究與推廣具有重要意義。2014年全國科技活動周期間，中科院電工所展示了其研發(fā)并安裝在北汽E150電動車上的無線充電設(shè)備，該系統(tǒng)采用IPT（磁耦合諧振）技術(shù)，主要由高頻電源、發(fā)射線圈、車載接收線圈、車載充電機、人機交互系統(tǒng)組成[8]。東南大學采用ERPT（電磁耦合共振式）技術(shù)，已能將無線傳輸?shù)木嚯x增加到0.5 m左右，也是國內(nèi)唯一實現(xiàn)0.5 m以上千瓦級無線電能傳輸?shù)难芯砍晒鸞9]。2015年，重慶大學自動化學院電力電子與控制工程研究所成功研制出在國內(nèi)具有領(lǐng)先地位的電動汽車無線充電系統(tǒng)裝置[10]。華南理工大學張波教授課題組從電路角度分析系統(tǒng)傳輸效率與線圈尺寸、距離等之間的關(guān)系，以實現(xiàn)諧振耦合電能無線傳輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的目標[11]。目前無線充電技術(shù)研究熱點主要集中在耦合線圈結(jié)構(gòu)及優(yōu)化、系統(tǒng)電路拓撲設(shè)計、系統(tǒng)動態(tài)分析及控制等方面。

2 無線電能傳輸技術(shù)主要方式

目前，無線電能傳輸技術(shù)主要有CPT（電場耦合）、微波輻射、IPT 3種方式?；贗PT的非接觸式電能傳輸系統(tǒng)，在傳輸距離較遠時也可以實現(xiàn)大功率高效電能傳輸，目前已在心臟起搏器、手機、筆記本、pad、吸塵器和移動機器人等設(shè)備中得到成功應(yīng)用；基于CPT的無線電能傳輸系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，具有更大的研究空間[12]，在電動汽車無線充電系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景；基于微波輻射的傳輸方式，其傳輸距離遠遠大于傳輸裝置的幾何尺寸[13]，但缺點是不能繞開障礙物，且傳輸效率較低。CPT及IPT技術(shù)均可應(yīng)用到電動汽車無線充電系統(tǒng)中。

2.1 IPT基本原理

IPT無線電能傳輸技術(shù)原理如下：初級側(cè)輸出特定頻率及幅值的交變電流，通過發(fā)射及接收線圈的磁耦合，在接收線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)過AC/DC變換及DC/DC變換轉(zhuǎn)換為符合負載內(nèi)部蓄電池充電標準的直流電，實現(xiàn)電能的無線傳輸，電路模型如圖1所示。

圖1 串串型電路模型

圖中：LP和LS分別為初級側(cè)、次級側(cè)線圈自感；M為兩線圈之間的互感；CP和CS分別為初級側(cè)和次級側(cè)補償電容；Rcoil_P和Rcoil_S分別為初級側(cè)和次級側(cè)線圈交流阻抗；RL為負載阻抗。在初級側(cè)、次級側(cè)均達到諧振狀態(tài)時，傳輸效率η和功率PL表示如下：

在 RL=10 Ω， R1=0.182 Ω， R2=0.243 Ω， L1=9.95 μH， L2=16.7 μH 條件下， 通過調(diào)節(jié)初級側(cè)與次級側(cè)諧振補償電容，使系統(tǒng)諧振頻率變化。圖2為功率與效率隨諧振頻率的變化情況，可以看出，當諧振頻率增加時，效率增加，功率先增加

其中，Rref為反射阻抗，定義為：后減小，在某個特定頻率處功率取得最大值。

效率及功率隨負載的變化曲線見圖3，傳輸效率則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這說明負載電阻存在最優(yōu)值，在實際應(yīng)用中，需進行阻抗匹配，從而在滿足功率傳輸?shù)幕A(chǔ)上，盡量提高系統(tǒng)的傳輸效率。

圖2 不同耦合系數(shù)下效率、功率與諧振頻率的關(guān)系

圖3 效率、功率與負載阻值的關(guān)系

諧振頻率、互感以及負載電阻共同影響著傳輸效率。諧振頻率和互感增大，會導致傳輸效率的增大，而隨著負載電阻的增大，傳輸效率則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這說明負載電阻存在最優(yōu)值。

2.2 CPT基本原理

CPT系統(tǒng)耦合器由4塊鋁板組成[14]，其中A和D鋁板為初級側(cè)，即電源側(cè)，放置在地面上；B和C鋁板為次級側(cè)，即電動汽車側(cè)，安放在電動汽車底盤最下邊。將初級側(cè)整流逆變模塊等效為高頻電源，直流負載為電動汽車的蓄電池，可簡化如圖4所示。

工作原理：當極板A和D上的電壓發(fā)生變化時，次級側(cè)電路的電荷會發(fā)生定向移動，若此時極板A帶的是正電荷，極板D帶的是負電荷，則由庫倫定律可知，極板B會帶上負電荷，極板C會帶上正電荷，整個初級側(cè)和次級側(cè)的電荷是保持恒定不變的。當A板與D板的極性發(fā)生變化時，B板與C板的極性也會發(fā)生相應(yīng)改變，那么B板和C板就相當于一個電源對負載做功，實現(xiàn)了能量的無線傳遞。

圖4 CPT系統(tǒng)原理

極板A，B，C和D之間存在著寄生電容，如圖5所示。

圖5 極板間寄生電容分布

C1，C2和CM分別定義如下：

圖4可等效為圖6：

令 C1′=C1+C1，系統(tǒng)傳輸功率可表示為：

由公式（7）可以看出，系統(tǒng)傳輸功率與系統(tǒng)諧振頻率、系統(tǒng)輸入電壓等因素有關(guān)。

圖6 系統(tǒng)等效電路

3 IPT與CPT比較

從表1可以看出，與IPT相比，CPT經(jīng)濟性更好、電磁兼容性更好、效率更高。IPT使用利磁線增加了系統(tǒng)成本；為減少磁場泄漏需設(shè)計屏蔽層，增加了系統(tǒng)重量，并帶來一定損耗；這些問題在大功率、中遠距離應(yīng)用中尤為突出。而CPT大大降低了發(fā)射接收耦合裝置的重量和系統(tǒng)成本；在軌道式動態(tài)無線充電應(yīng)用中，CPT可大幅度降低發(fā)射邊的損耗；并且不需要鐵磁材料，周圍存在金屬物體時，泄露電場不會在其中引起渦流損耗[15]。

表1 IPT與CPT技術(shù)性能比較

4 CPT實驗

實驗采用雙邊LC補償方式，其等效電路見圖7。其中Cex1，L1和Cex2，L2分別為初級側(cè)和次級側(cè)LC補償電路等效電容和電感。傳輸距離為100 mm，4個極板尺寸均為400×400 mm，逆變器工作頻率800 kHz左右，實驗參數(shù)見表2。

利用有限元仿真軟件COMSOL的電流模塊得出，耦合電容CM=12.25 pF。

實驗過程如下：

（1）根據(jù)圖7進行系統(tǒng)初、次級側(cè)電路LC補償，調(diào)整系統(tǒng)工作頻率，使系統(tǒng)初級側(cè)電壓及電流同相位。

圖7 雙邊LC補償結(jié)構(gòu)等效電路

表2 實驗參數(shù)

（2）調(diào)節(jié)初級側(cè)系統(tǒng)輸入電壓，改變系統(tǒng)輸入功率，采用示波器測量對應(yīng)的系統(tǒng)輸入電壓、電流值及負載上的電流值。

（3）系統(tǒng)效率計算。當輸入功率分別為26.34 W，35.34 W，43.34 W和48.28 W時，實驗結(jié)果見表3。系統(tǒng)效率為負載功率與電源輸入功率之比，系統(tǒng)效率均為86%左右。

表3 實驗結(jié)果

目前，美國圣地亞哥州立大學Chris Mi教授團隊采用雙邊LC補償電路，已完成千瓦級的CPT實驗樣機研制，效率在90%左右，極大促進了CPT技術(shù)的發(fā)展。目前，國內(nèi)應(yīng)用CPT技術(shù)，無線傳輸功率級別還停留在10 W以內(nèi)，效率低于50%。

由于CPT技術(shù)采用電場耦合，中間介質(zhì)為空氣，因此耦合電容很小，通常只有幾十pF，因此需要在高頻狀態(tài)下進行能量傳輸。本系統(tǒng)實驗難點主要集中在高頻逆變器及系統(tǒng)補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計兩方面。在實驗中，要確保高頻逆變器工作在高頻軟開關(guān)狀態(tài)，從而減少功率管損耗，增大初級側(cè)輸入電流的頻率；同時，采用合適的補償網(wǎng)絡(luò)，提高鋁板間的板間電壓，發(fā)射板在高壓、高頻交流電的作用下，與接收板形成交互電場，形成位移電流，從而實現(xiàn)大功率傳輸。在后續(xù)的研究中，將進一步提高逆變器頻率，選擇更合適的補償網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)達到千瓦級的能量傳輸。

5 結(jié)語

采用4塊電容鋁板的無線電能傳輸，傳輸距離為100 mm，電能傳輸效率約86%。相比于傳統(tǒng)的IPT無線電能傳輸系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上大為簡化，其耦合器的成本更低，說明CPT在電動汽車無線充電系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。如果在高速公路上鋪設(shè)2個平行長鋁板，在電動汽車底盤加裝2個小鋁板，完全可以實現(xiàn)電動汽車行駛過程中的動態(tài)實時充電，解決目前電動汽車充電時間長的問題，必將促進電動汽車的大量普及與發(fā)展。